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| − | + | Ist der Entschluss gefasst, für seinen Roboter oder andere Konstruktion einen Getriebemotor zu verwenden, so müssen sich Gedanken gemacht werden, wie er ansteuert werden kann. Gewöhnlich sollen die Motoren ja sowohl in Bezug auf Drehrichtung und Geschwindigkeit über eine Programmiersprache engesteuert werden. Daher wird in der Regel erst mal ein Controllerboard benötigt. Leider kann man an die wenigsten Controllerboards einen Getriebemotor direkt anschließen, eine der wenigen Ausnahmen ist das [[RN-Control]]-Board und das RNBFRA-Board. Bei beiden Boards ist es einfach, dort müssen die Getriebemotoren einfach nur an die Schraubklemmen angeschlossen werden, danach kann man sofort mit der Programmierung loslegen. | |
Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik läßt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an [[RN-Control]] anzuschließen. | Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik läßt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an [[RN-Control]] anzuschließen. | ||
Version vom 6. April 2009, 18:32 Uhr
Ist der Entschluss gefasst, für seinen Roboter oder andere Konstruktion einen Getriebemotor zu verwenden, so müssen sich Gedanken gemacht werden, wie er ansteuert werden kann. Gewöhnlich sollen die Motoren ja sowohl in Bezug auf Drehrichtung und Geschwindigkeit über eine Programmiersprache engesteuert werden. Daher wird in der Regel erst mal ein Controllerboard benötigt. Leider kann man an die wenigsten Controllerboards einen Getriebemotor direkt anschließen, eine der wenigen Ausnahmen ist das RN-Control-Board und das RNBFRA-Board. Bei beiden Boards ist es einfach, dort müssen die Getriebemotoren einfach nur an die Schraubklemmen angeschlossen werden, danach kann man sofort mit der Programmierung loslegen.
Ich möchte hier aber aufzeigen, wie man Motoren auch bei anderen Boards anschließen kann. Die gleiche Technik läßt sich natürlich auch nutzen, um z.B. mehr als zwei Motoren an RN-Control anzuschließen.
Inhaltsverzeichnis
- 1 Ansteuerung mit Relais
- 2 Ansteuerung mit Relais und MOS-FET
- 3 Ansteuerung mit MOS-FET
- 4 Ansteuerung mit einem LeistungsOPV
- 5 Ansteuerung mit Treiber IC L293 D
- 6 Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298
- 7 Ansteuerung mit L6205
- 8 Noch mehr Power gewünscht?
- 9 Endstufen mit I2C-Bus / RS232
- 10 Und nie vergessen Motoren zu entstören
- 11 Siehe auch
- 12 Weblinks
Ansteuerung mit Relais
Die einfachste Methode, um Motoren per Controller anzusteuern, erreicht man durch die Verwendung von Relais. Mit einem Relais, das zwei Umschaltkontakte besitzt, lässt sich über einen einzelnen Controllerport bequem die Drehrichtung wechseln.
Da auch Relais wegen des Strombedarfes nicht direkt vom Controller geschaltet werden können, wurde in dem oberen Beispiel ein Transistor vorangestellt. Die Diode dient nur dazu, die Spannungen abzuleiten, die beim Ausschalten des Relais induziert werden. Ohne Diode funktioniert das Ganze in der Regel auch, jedoch könnte der Transistor oder sogar der Controller durch die induzierte Spannung beschädigt werden. Die Schaltung ist also in der Lage, die Drehrichtung umzuschalten, jedoch nicht in der Lage, den Motor zu stoppen. Um den Motor ganz auszuschalten, müsste man noch ein weiteres Relais vorsehen, das die gesamte Motorspannung abschaltet. Ein Schaltbild können wir uns ersparen, da das Ganze recht ähnlich aussieht. Der große Nachteil von Relaisschaltungen ist, dass die Geschwindigkeit des Motors nicht geregelt werden kann, zudem haben Relais bei sehr vielen Schaltvorgängen einen gewissen Verschleiß. Vorteil der Schaltung ist jedoch, das man auch sehr große Lasten/Motoren schalten kann.
Ansteuerung mit Relais und MOS-FET
Die Schaltung ist sehr ähnlich wie die normale Relaisschaltung. Es wird aber in die Masseleitung hinter dem Relais ein MOSFET und eine Freilaufdiode eingesetzt. Dadurch werden die Nachteile der einfach Relaisschaltung behoben. Durch den MOSFET läßt sich der Motor in der Geschwindigkeit regeln und ggf. abschalten.
Es sind prinzipiell alle N-Kanal MOS-FETs geeignet. Logik-Level-Typen sind aber auf Grund des geringeren Innenwiderstandes bei 5 V (vom µC) vorzuziehen. Im einstelligen Amperebereich ist der Spannungsabfall vernachlässigbar gering. Deswegen müssen auch keine Bauteile gekühlt werden. Um die Umschaltverluste und Funkstörungen gering zu halten, sollte die PWM-Frequenz (< 1 kHz) nicht unnötig hoch liegen. Da das Relais nur Strom verbraucht, wenn es angezogen wird, sollte man den Motor so anschließen, dass in der bevorzugten Drehrichtung (beim Roboter Vorwärtsfahren) das Relais nicht angezogen ist. Die Schaltung ist sicher gegen Querströme und es können durch Fehler im Programm des µC keine Schäden entstehen.
Der Verdrahtungsaufwand insgesamt ist minimal und sogar kleiner als bei Motortreiber-ICs, wie dem L298, da keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden. Daher ist die Schaltung insbesondere für Anfänger geeignet.
Vorteile sind:
- kurzschluss-/querstromsicher
- hohe Strombelastbarkeit
- sehr geringer Spannungsabfall (< 1 V)
- niedrige Kosten, auch bei hoher Leistung
- Relais kann stromlos geschaltet werden (wenig Verschleiß an Kontakten)
Nachteile sind:
- hörbares "Klacken" beim Laufrichtungswechsel
- zusätzlicher Stromverbrauch, wenn die Relais geschaltet sind
- keine einfache Motorbremse
- (Verschleiß der Relais, tritt aber erst bei sehr sehr vielen Schaltvorgängen auf)
Ansteuerung mit MOS-FET
Neufassung
| Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.
Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Die Neufassung kann im momentanen Stand nur als Anregung verstanden werden. Insbesondere fehlen noch angepasste Schaltpläne. Einige der Anmerkungen aus dem Abschnitt "Kritik an der Schaltung" sind in der Neufassung noch nicht enthalten, die Beschreibung von Verzögerungsgliedern müsste auch eine Erklärung enthalten, welche Verzögerung mit welchen Werten erreicht wird. Wenn die Neufassung komplett fertig ist, sollten die alten Texte weg. |
Grundprinzip
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also (unipolaren) Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz.
Die Grundschaltung besteht aus 2 N-Kanal-MOS-FET (hier BUZ11) und zwei P-Kanal-MOS-FET(hier IRF5305), mit denen die Motoranschlüsse nach GND bzw. UB geschaltet werden. Zusätzlich sind 4 Schottky-Dioden (z.B. SB530) erforderlich, um Induktionsströme des Motors abzuleiten. Die Dioden werden in Sperrichtung von den beiden Motoranschlüssen nach GND bzw. UB geschaltet. Auf die extra Dioden kann bei einer Vollbrücke mit modernen MOSFETs meistens verzichtet werden, da die MOSFETs bereits hinreichend gute Dioden enthalten.
Grundsätzlich muss die Beschaltung der Gate-Eingänge so erfolgen, dass zum Starten des Motors die Transistoren einer Diagonale auf "leitend" und die der anderen auf "sperrend" geschaltet werden. Zum Anhalten des Motors werden z.B. die unteren auf leitend und die oberen auf sperrend geschaltet (Der Motor wird aufgrund des nicht unerheblichen Bremsstroms von Transistor und Freilaufdiode stark gebremst). Alternativ kann man auch alle Transistoren auf sperrend schalten, der Motor läuft dann im Leerlauf aus.
Die Transistoren einer Seite dürfen nicht gleichzeitig auf "leitend" geschaltet werden, da dies einen Kurzschluss verursacht.
Hinweis: Zumindest bei dem Transistor BUZ11 handelt es sich um ein veraltetes Modell. Wenn es auf hohe Leistung ankommt, sollte da ein anderer Transistor gewählt werden (z.B. IRF 530).
Elektrische Ansteuerung der Gates
Beim Umschalten der Transistoren entsteht eine erhöhte Verlustleistung - der Widerstand wechselt von sperrend (sehr großer Widerstand) nach leitend (sehr kleiner Widerstand) und umgekehrt.
Zwischen beiden Enden des Schaltvorgangs befindet sich der Transistor in der "Widerstandsphase" (weder ganz leitend, noch ganz sperrend), die eine erhebliche Verlustleistung und damit Erwärmung mit sich bringt.
Deshalb sollte der Schaltvorgang möglichst schnell erfolgen, insbesondere wenn für eine PWM-Regelung sehr oft geschaltet werden soll. Da zum Umschalten die durch den Aufbau des MOSFETs bedingte Gatekapazität umgeladen werden muss, ist hierzu (sehr kurzzeitig) ein hoher Stromfluss nötig. Zu schnell sollte man wegen der Funkstörungen aber auch nicht schalten.
Schaltung direkt am Port
Eine Ansteuerung unmittelbar über den Ausgang eines Mikrocontrollers (oder eines TTL-IC) ist schon wegen der benötigten Spannungen nicht möglich.
Bei den N-FET kann man sog. "Logik-MOSFET" nehmen, die bereits bei 5 V ausreichend leitet.
Bei den P-MOSFET bemisst sich die Schaltspannung gegen UB, mit einem 5 V Port und UB=12 V würde also zwischen -12 V und -7 V umgeschaltet, was einen P-MOSFET erfordern würde, der bereits bei -7 V sperrt.
Dass ein Portpin nur einen geringen Stromfluss (ca. 20 mA) zulässt, ist ein weiteres Problem und verhindert einen Schaltvorgang mit idealer steiler Flanke. Allerdings ist die Schaltungsvariante mit einem Transistor in diesem Punkt keinesfalls besser, wenn die Gatekapazität durch den PullUp-Widerstand umgeladen werden muss. Diese Schaltungsversion ist für nicht zu große FETs (bis etwa 2 nF Gate Kapazität), bevorzugt ohne PWM, möglich.
Schaltung mit einem Transistor
Eine einfache Steuerschaltung besteht aus einem Transistor-Schalter und einem Pull-Up-Widerstand. Als Schalter hab ich 1/7 eines ULN2003 IC verwendet, als PullUp 2200 Ohm. Ein diskreter Aufbau mit 1 Transistor und 2 Widerständen ist aber auch nicht komplizierter.
Der Vorteil liegt in der Einfachheit, der Nachteil liegt darin, dass die Schaltung nicht sonderlich schnell vonstatten geht: Für die Schaltung des FET muss die Gate-Kapazität transferiert werden, was insbesondere beim Wechsel von 0 V nach UB einen Moment dauert, da die Ladung durch den Widerstand hindurch muss.
Ein kleinerer Widerstand könnte hier helfen, verursacht allerdings einen nicht unerheblichen Stromfluss im geschalteten Zustand (zulässige Verlustleistung beachten).
Schaltung mit zwei Transistoren
Eine bessere Ansteuerung sollte sich ergeben, wenn man zwei Transistoren zur Gate-Ansteuerung verwendet: Einer schaltet gegen 0 V, der andere gegen UC. So kann man erreichen, dass in beide Richtungen rasch umgeschaltet werden kann.
Integrierte Gate-Treiber
Statt der Beschaltung mit zwei Transistoren kann man auch einen integrierten MOSFET-Treiber verwenden. Derartige ICs sind darauf ausgelegt, kurzfristig den für eine Umschaltung benötigten hohen Stromfluss zu ermöglichen.
Es gibt auch Treiber-ICs, die zur Ansteuerung der oberen Transistoren eine Spannung oberhalb von UB erzeugen. Mit solchen Highside-Treibern kann die H-Brücke auch aus 4 N-Kanal-Transistoren gebaut werden, was den Vorteil hat, dass N-Kanal-FETs mit geringerem Schaltwiderstand zu bekommen sind.
Logische Ansteuerung der Gates
Nach der elektrischen Ansteuerung ist die logische Ansteuerung durch den Mikrocontroller zu überlegen.
Mögliche Querströme
In der H-Brücke sind zwei problematische Zustände zu berücksichtigen:
1. Das offensichtliche Problem ist ein Kurzschluss: Wenn beide Transistoren einer Seite auf leitend geschaltet werden, dann wird dadurch ein Kurzschluss erzeugt. Falls vorhanden brennt die Sicherung durch oder es wird sogar etwas beschädigt.
2. Ein nicht so offensichtliches Problem rührt daher, dass der Schaltvorgang nur mit endlicher Geschwindigkeit abläuft und der Transistor auch schon vor Erreichen des Zielwertes der Gate-Spannung erheblichen Strom leitet. Hierdurch kommt es zu einem Kurzschluss durch den nicht mehr richtig gesperrten und den noch nicht richtig gesperrten Transistor.
Die Stromspitze selbst liegt noch im Rahmen der Spezifikationen der Transistoren. Sofern ein Messwiderstand von z.B. 0,1 Ohm da ist oder die Spannungsquelle einen vergleichbaren Innenwiderstand hat fließt ein Strom von weniger als 70 A, die Transistoren sind jeweils für Spitzen von über 100 A spezifiziert.
Allerdings hat die Stromspitze drei Auswirkungen:
- Die Transistoren erwärmen sich
- Es kann an einem Messwiderstand zu einer Spannungsspitze kommen
- Die Versorgungsspannung bricht kurzzeitig zusammen
Die Erwärmung des Transistors ist solange kein Problem, wie nur selten umgeschaltet wird. Bei einer Regelung per PWM könnten sich die kleinen Energiemengen zu einem relevanten Problem addieren.
Da die Erwärmung - sofern sie relevant wird - leicht ohne Messinstrumente feststellbar ist, dürfte dieser Teil des Problems insofern handhabbar sein, als man leicht feststellen kann, ob das Problem relevant ist und das Problem auf die Transistoren beschränkt sind.
Bei Leerlauf-Schaltvorgängen im Abstand von 1/15 Sekunden habe ich keine Erwärmung der Transistoren feststellen können, es wurden auch keine zusätzlichen Kühlkörper verwendet.
Die Spannungsspitze am Messwiderstand kann abgeleitet werden: Als weitere Vorsichtsmaßnahme habe ich den Messport des Controllers mit einem Widerstand und einer Z5.1 Diode abgesichert.
Die Störung der Versorgungsspannung lässt sich ohne Oszilloskop nicht messen. Insbesondere in umfangreicheren Schaltungen können Störungen an ganz anderen Stellen (z.B. bei Sensoren) auftreten, die man dann nicht gleich mit der Motorsteuerung in Verbindung bringt.
Um die Störung vom Controller fernzuhalten habe ich dem Spannungswandler vorsichtshalber eine kleine Schottky-Diode (SB140) vorgeschaltet, um ein Entladen des Stützkondensators zu verhindern.
softwaremäßige Ansteuerung
Die einfachste Art der Ansteuerung besteht darin, die Schalter der 4 Gates mit 4 Ausgängen des Controllers zu verbinden.
Die korrekte Ansteuerung muss dann durch die Software garantiert werden.
Eine Fehlschaltung der Software z.B. bei einem Absturz kann allerdings zur Zerstörung der Schaltung führen, die Schaltung sollte also in jedem Fall eine Sicherung haben.
Einfache Ansteuerung
Etwas sicherer ist es, die Schaltung so aufzubauen, dass ein Kurzschluss nicht dauerhaft geschaltet werden kann.
Hierzu habe ich die Schaltung so aufgebaut, dass die Gates einer Seite jeweils gemeinsam geschaltet werden.
Bei einer Gate-Spannung von 0V sperrt der N-MOSFET (UGS=0V), der P-MOSFET leitet bei dieser Gate-Spannung, da hier UGS=-UB ist.
Bei einer Gate-Spannung von UB verhält es sich genau umgekehrt: Der N-MOSFET leitet (UGS=UB) und der P-MOSFET sperrt (UGS=0V)
Diese einfache Ansteuerung benötigt lediglich zwei Transistorschalter und auch nur 2 Port-Pins, hat jedoch den Nachteil, dass während des Umschaltens die oben beschriebenen Querströme auftreten können. Außerdem ist die gemeinsame Ansteuerung der Gates nur für Spannungen von etwa 6V bis 12 V möglich.
Verbesserungsmöglichkeiten
Zur Lösung des Querstrom-Problems gibt es mehrere Ansatzmöglichkeiten, die ebenfalls mit zwei Controller-Ausgängen auskommen.
Mittels Logik-Bausteinen werden zwei Ausgänge des Controllers so umgesetzt, dass die folgenden Zustände geschaltet werden können:
- Motor-Stop: untere Transistoren leitend, obere sperrend (oder umgekehrt)
- Motor-Vorlauf: 1. Diagonale leitend
- Motor-Rücklauf: 2. Diagonale leitend
- Motor-Leerlauf: Alle Transistoren sperrend
Die Querstrom-Problematik kann hierbei softwaremäßig gelöst werden, indem beim Umschalten jeweils kurz der Leerlauf geschaltet wird, damit alle Transistoren sperren.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Umladen der Gate-Kapazität asymmetrisch zu gestalten, so dass die Transistoren schneller auf sperrend als auf leitend geschaltet werden. Eine einfache Möglichkeit ist die Parallelschaltung einer Diode und eines Widerstandes: In Sperr-Richtung fließt die Ladung langsamer als in die Durchlass-Richtung.
Heidingscher Encoder
Aufgrund der Kritik an der alten Schaltung(siehe Alte Schaltungsbeschreibung) entschied ich mich einen neuen, einfachen sowie preisgünstigen Encoder zu entwickeln, den man mit der 74series aufbauen kann. Als Treiber können sowohl Transistoren verwendet werden, dabei aber Vorwiderstände nicht vergessen! Die 74series sind mit 20 mA Treiberstrom also natürlich nicht zum direkten Treiben geeignet. Die Logikanzeigen in den Grafiken sollen je einen Transistor bzw. Mosfet darstellen. Eventuelle Freilaufdioden müssen natürlich noch hinzugefügt werden.
PR Encoder
Der PR Encoder(PWM-Richtung Encoder) ist mit zwei NOR Gates sowie eines Inverters aufgebaut, d.h. man kann ihn mit nur einem IC(74HC(T)02) aufbauen. Will mein 2 Encoder verwenden, empfiehlt sich den Inverter auszulagern (74HC(T)04 oder 74HC(T)14. Sollte man keinen Schmitt-Trigger benötigen empfiehlt sich aus Schnelligkeitsgründen die 74HC(T)04 Variante). Alternativ ist es noch möglich sich den Inverter zu sparen, und die Ansteuerung für den P(WM) Kanal invertiert laufen zu lassen.
PRK Encoder
Der Prk-Encoder(PWM-Richtung-Kurzschluss-Encoder) ist eine Erweiterung des PR-Encoders. Er erlaubt es zusätzlich, die Motoren durch einen Kurzschluss zu stoppen. Aufgebaut werden kann dieser aus 1 NOR und 1 NAND Gate. Dabei werden 3 NAND-Gates als Inverter beschaltet (d.h. eine Leitung, die übrigen bleiben auf VCC).
Support
Fragen einfach in das Forum posten, oder mich anschreiben (User s.o.)
Alte Schaltungsbeschreibung
Achtung! Die Schaltung ist so nicht zu verwenden! Siehe unter Kritik an der Schaltung
Wesentlich günstiger und auch beliebter ist die Ansteuerung von Motoren mit MOS-FETs. Also Transistoren, die quasi leistungslos nur durch Spannungen geschaltet werden und extrem hohe Ströme verkraften. Zu diesem Thema findet man unzählige Beiträge im Roboternetz. Eine der interessantesten Schaltungen, die im Roboternetz vorgestellt wurde, dürfte diese sein:
Anmerkung: Den 74HC26N gibts wohl nicht , nur die TTL-Version 74LS26, die HC-Mos-Version lautet 74HC03.
Eine sogenannte H-Brücke, die nur aus zwei MOSFETSs und einem Logik-IC besteht. Mit zwei Controllerports kann diese Schaltung sowohl Geschwindigkeit als auch Drehrichtung regeln. Für die Geschwindigkeit ist ein sogenannter PWM-Port notwendig. Also ein Port, der durch ein gepulstes Signal den Motor etlichemal innerhalb einer Sekunde ein- und ausschaltet und somit quasi die Leistung regelt (siehe PWM). Die Schaltung ist so konstruiert, dass immer nur zwei Transistoren durchschalten. Auf diese Weise fließt einmal der Strom von links oben nach rechts unten und einmal von rechts oben nach links unten, der Motor wird also ähnlich wie bei der Relaisschaltung umgepolt. Bei niedriger PWM_Frequenz sollte die Schaltung durchaus für einige Ampere geeignet sein, wobei ca. 8 bis 13 V ideal sein sollten.
Das Logic-IC wurde durch 3x BC547 Transitoren ersetzt.
Kritik an der Schaltung
Diese Schaltung wird hier Forum von mehreren Leuten, u.A. Ratber, shaun, massiv kritisiert.
Ich habe leider nicht das Wissen eine bessere Lösung zu liefern. Das Problem sind die Querströme: Im Umschaltmoment sind highside und lowside switch für kurze Zeit beide leitend. Das entspricht einem Kurzschluss der Versorgungsleitung bei jedem Umschalten mit allen damit verbundenen Problemen (Erwärmung, Schwingung, Sicherungen, Reset). Aus diesem Grund sind NAND-Gatter nicht geeignet!
Zum Umschalten muss man
Dies kann man erreichen, indem man den Einschaltmoment
- durch RC-Glieder verzögert und
- den Ausschaltmoment durch Dioden beschleunigt.
Die entstehenden Schaltungen sind komplex, benötigen viele Bauteile und sind fehleranfällig.
Am sinnvollsten sind integrierte MOSFET-Treiber. Diese haben oft eine einstellbare Tot-Zeit (Dead-Time), können hohe Leistungen zum Umladen der Gatekapazität liefern und beachten andere Effekte wie Propagation-Time, Veränderung des Source Potentials beim Highside-switch, etc.
Erklärung von shaun:
Die gezeigte Schaltung taugt auch nur als Prinzipschaltung bedingt, da man einen variierenden Aufwand in eine sichere Verriegelung investieren müsste. Bei fixer und nicht zu hoher Betriebsspannung könnte man mit RD-Kombinationen in den Gateleitungen das Ausschalten beschleunigen und das Einschalten verzögern, so dass die Querleitung wegfällt. Allerdings bewirkt diese simple R-Cg-Verzögerung größere Schaltverluste.
Setzt man die Verzögerung vor dedizierte Treiber, müssen diese wiederum leistungsfähig genug zum Umladen der Gates sein und bis an die Versorgung heranreichen, weshalb man an diesem Punkt überlegen sollte, ob 95% duty cycle nicht auch reichen würden (Anmerkung: Bezug auf bootstrapping?) und man integrierte Treiber für reine N-Kanal-Bestückung einsetzen sollte - spart dann wieder etwas Verluste am Highside-Switch, weil N-Kanäler gleicher Generation und Leistungsklasse einen niedrigeren Rds(on) als ihre P-Pendants haben.
| Dieser Artikel ist noch lange nicht vollständig. Der Auto/Initiator hofft das sich weitere User am Ausbau des Artikels beteiligen.
Das Ergänzen ist also ausdrücklich gewünscht! Besonders folgende Dinge würden noch fehlen: Eine vernünftige diskrete Ansteuerung für eine H-Brücke. Korrektur auf Rechtschreibfehler, Zeichensetzung, Schreibstil, Fachausdrücke. Gibt's denn keinen, der etwas verbessern möchte? |
Ansteuerung mit einem LeistungsOPV
Die wohl preislich und platztechnisch günstigste Alternative zur Ansteuerung von Motoren in H-Brücken ist die Verwendung von (Leistungs-)Operationsverstärkern.
Heidingscher Motortreiber
Bei dem Heidingschen Motortreiber wird jeder Anschluss des Motors mit einem Ausgang des Operationsverstärker verbunden, die Eingänge des OPVs selbst als Komparator. Diese Methode ist für kleine und mittlere Motoren(=< 1A) und mäßige PWM-Frequenzen(<10kHz) gut geeignet. Ein RB35 von Conrad kann damit problemlos angesteuert werden. Bei zu hohen PWM-Frequenzen ist die SlewRate von vielen OPVs zu gering und die entsprechenden OPVs sind dann viel zu teuer und man sollte eine Ansteuerung per MOSFET (s.o.) bevorzugen. Momentan hat sich der TCA 0372 DP1 (0,57€ bei Reichelt) Verwendung gefunden. Weitere Informationen sind in diesem Forumsbeitrag zu finden.
Gleichstromansteuerung
Eine weitere Möglichkeit ist es, dem Operationsverstärker eine Gleichspannung vorzugeben, mit denen der OPV die Motoren ansteuert. Diese Methode eignet sich sehr gut für analoge Schaltkreise. Der Wirkungsgrad ist allerdings nicht der beste, da die restliche Spannung in Wärme umgesetzt wird. Zudem werden viele weitere Komponenten benötigt, was den Aufbau teurer und fehleranfälliger macht. Der entsprechende Schaltkreis ist im Datenblatt des TCA 0372 DP1 zu finden.
Ansteuerung mit Treiber IC L293 D
Dies ist ohne Zweifel die am häufigsten genutzte Ansteuerung bei Roboter-Bastlern: Man nimmt einfach das IC L293D, denn darin sind sogar zwei H-Brücken enthalten. Also mit einem IC lassen sich ohne weitere externe Bauteile gleich zwei Motoren ansteuern. Zwar nur bis ca. 600mA, aber das reicht oft schon für kleinere bis mittlere Roboteranwendungen aus.
Wie aus dem Schaltbild zu ersehen ist, werden für die Ansteuerung jedes Motors 3 Ports benötigt. Die Enable-Leitung führt man oft auf einen PWM-Port welcher wie bei der MOS-FET Schaltung oben die Geschwindigkeit regelt. Die beiden anderen Ports geben die Drehrichtung an. Immer wenn die Ports unterschiedliche Polarität haben dreht der Motor in eine bestimmte Richtung, je nachdem wo Low und High anliegt. Das Besondere ist, dass wenn an beiden Ports der gleiche Pegel anliegt, also zweimal Low oder High, dann wird nämlich der Motor kurzgeschlossen, das dann als Bremse fungiert. Das Bremsen kann bei Robotern durchaus nützlich sein. Zudem ist bei schnellen Richtungswechseln immer zu empfehlen zuerst kurz zu bremsen, um nicht den Motor oder Motortreiber zu stark zu belasten.
Ansteuerung mit dem Schaltkreis L298
Der Schaltkreis L298 ist quasi der große Bruder des L293D. Er beinhaltet auch zwei komplette H-Brücken, kann also auch zwei Motoren ansteuern. Die Pinbelegung ist ebenfalls dem L293D sehr ähnlich, jedoch verfügt er über eine andere Bauform:
Der wichtigste Unterschied besteht jedoch darin, dass jede H-Brücke bei L298 bis zu 2 A belastet werden kann. Damit lassen sich also schon wesentlich größere Motoren ansteuern. Ein weiterer Vorzug sind die sogenannten SENSE-Ausgänge, über die der komplette Strom fließt. Oft wird hier ein Hochlastwiderstand angeschlossen, um aus der abfallenden Spannung den Strom berechnen zu können. Dies machen sich Steuerungen wie RN-Motor oder aber andere Schrittmotoransteuerungen zunutze, um den Strom zu regeln. Benötigt man keine Strommessung, so müssen die Sense-Ausgänge direkt mit GND verbunden werden. Anders als beim L293D werden hier externe Freilaufdioden gebraucht.
Ein weiteres Schaltbild gibt es hier [1]
Ansteuerung mit L6205
Der Schaltkreis L6205 stellt eine etwas modernere Alternative zur L298-Ansteuerung dar. Die Ansteuerung ist praktisch identisch, der Schaltungsaufbau in etwa gleich. Beim L6205 sind keine externen Freilaufdioden mehr notwendig, dafür ist ein Kondensator und zwei Dioden für die interne Spannungserzeugung notwendig. Ein großer Vorteil ist auch, dass kein extra Kühlkörper mehr notwendig ist. Viele integrierte Schutzfunktionen im L6205 sorgen dafür, dass der Chip nicht so einfach zerstört werden kann. In der Praxis sind die angegeben 2,8 A jedoch mit Vorsicht zu genießen. Bei Testlayouts erwärmten sich die ICs bereits bei 2 A Dauerstrom (PWM) oft so stark, dass die automatische Temperaturabschaltung reagierte, somit wird man vermutlich ohne Kühlung oder großes Kühllayout auf der Platine auch nicht mehr als beim L298 erreichen.
Noch mehr Power gewünscht?
Obwohl der L298 schon einiges abdeckt, so kommt er spätestens bei den Scheibenwischermotoren langsam an seine Grenzen. Bei starker Belastung können solche Motoren kurzzeitig bis ca. 10 A und mehr ziehen. Für solch starke Motoren gibt es jetzt einen ganz interessanten Motorchip aus dem Kfz-Bereich: vnh3sp (Datenblatt im Roboternetz Download-Bereich). Mit ihm lassen sich sogar recht große Motoren ansteuern; vorausgesetzt, man kühlt ihn entsprechend, so verträgt der Chip bis zu 30 A. Aber selbst ohne Kühlung bietet er bedeutet mehr Leistung als der L298. Das Schöne, die Ansteuerung ist kaum anders als beim L298 und L293D.
Kleiner Nachteil: Da es ein SMD-Chip mit 1mm Kontaktabstand ist, muss man schon eine geeignete Platine (spezielles Layout mit Kühlflächen) und etwas Löterfahrung besitzen. Inzwischen gibt es aber schon verschiedene RN-Projekte mit dem Chip (RN-Power, RN-Mini H-Bridge), Platinen und Chip können über den Robotikhardware.de-Platinenservice bezogen werden.
Alternativ zum SMD-Chip VNH3SP30 gibt es noch die Alternative VNH2SP30. Dieser Chip erlaubt zwar nur Motorspannungen zwischen 6 und 16 Volt, jedoch hat er einen wesentlich geringeren Innenwiderstand und wird deshalb nur etwa halb so warm wie der VNH3SP30.
Aus diesem Grund eignet er sich auch ideal für kleine Doppelmotorsteuerungen.
Natürlich gibt's auch hierfür ein Projekt und eine Bauanleitung, siehe RN-VNH2Dualmotor
Das Schöne ist, dass es dieses RN-Projekt jetzt auch als Fertigmodul gibt!
Endstufen mit I2C-Bus / RS232
Verwendet man eine der oben vorgestellten H-Bridges, so wird immer vorausgesetzt, dass ein PWM-Signal und mehrere Ports zur Ansteuerung bereitstehen. Ist dies nicht der Fall, weil diese vielleicht schon belegt sind, so lassen sich Endstufen durch einen zusätzlichen Microcontroller auch um beliebige Schnittstellen erweitern. Insbesondere über I2C lassen sich dadurch mehrere Motorboards über einen einzigen Bus ansteuern. Ein Beispiel ist der programmierte Controller MOTCTRL, der speziell für diese Aufgabe gedacht ist. Die Grundschaltung sieht man in der rechten Skizze.
![[1]](http://www.roboternetz.de/bilder/schaltung298getriebe.gif){kind=link}
Und nie vergessen Motoren zu entstören
Das Entstören dient dazu, eine Ausbreitung von Funkstörungen durch das sogenannte "Bürstenfeuer" zu verhindern. Und so wird's gemacht:
Bei Steuerung des Motors per PWM sind die Induktivitäten hilfreich. Sie verhindern das bei den steilen Flanken des PWM Signals große Ströme duch die Kondensatoren fließen. Alternativ zu den 2 Kondensatoren (C2,C3) gegen das Gehäuse kann das Gehäuse auch direkt an Masse angeschlosssen werden. Bei einer PWM Steuerung ist das die bessere Lösung.
Siehe auch
Weblinks